一种温度应变一体化测试的分布式光纤传感器的制作方法

1.本发明属于结构安全监测领域，具体涉及一种温度应变一体化测试的分布式光纤传感器。


背景技术：

2.当光纤受到外界温度、应力影响时，光纤的布里渊散射频移将会发生相应的变化，通过检测传输光的布里渊散射频移便可以获得相应的物理量，这种技术称之为分布式光纤布里渊传感技术。分布式光纤布里渊传感技术除具有普通光纤传感技术抗电磁场干扰、耐久性好等优点外，其最为显著的特点就是采用普通通信单模光纤作为传感器可实现数十公里的应变和温度连续测量。经过近20多年的发展，分布式光纤布里渊传感技术已经在铁路、公路、桥梁、管道等大尺度结构中得到了广泛的发展和应用。
3.分布式光纤布里渊传感技术可直接采用价格低的普通单模光纤作为敏感单元，也在实验室和部分工程中得到了应用，取得了一定的效果，但是普通光纤直径纤细、抗剪力差，直接布设到结构中极易损坏。目前已报道有针对不同测试对象的经封装保护的分布式光纤传感器，如用于钢结构应变测试的金属基带状分布式光纤应变传感器、用于混凝土等结构应变测试的纤维加强复合分布式光纤传感器以及具备高耐久性的纤维树脂封装的分布式光纤传感器等，在实际工程中得到了较为广泛的应用。
4.虽然分布式光纤布里渊传感技术可以实现数十公里乃至上百公里的连续应变和温度场监测，但是对于某些工程结构而言，其施工环境极其恶劣和复杂，即使是经过封装保护的分布式光纤传感器也极易损坏。譬如铁路路基具有分时、分段、分层的不连续性施工的特点且整个施工过程有大型机械化土工作业。这种施工作业工况难以形成连续的监测段供传感器布设且传感器非常容易受到挖机、压路机等施工破坏。因此对于这类监测对象，传感器不仅能以高成活率布设且还要具备快速、容易安装的特点，除此之外，最为重要的一点是要求传感器在受到二次损坏时，能够易维护，即二次低损耗熔接保护。因此，具备易安装、易维护以及高感知的特点是分布式光纤传感器工程化程度的主要标准。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明提供了一种具备易安装维护和高灵敏度的温度应变一体化测试的分布式光纤传感器。
6.本发明的技术方案为：一种温度应变一体化测试的分布式光纤传感器，包括紧包应变光纤1、分布式温度光纤2、纤维树脂3、橡胶层4和扩径片式锚头5，其特征在于：紧包应变光纤1和分布式温度光纤2在纤维树脂3成型过程中植入其中，纤维树脂3成型后二次封装橡胶层4，扩径片式锚头5固定在保护后分布式光纤传感器上。
7.紧包应变光纤1的紧包护层采用耐高温的交联乙烯四氟乙烯共聚物护层，在纤维树脂热塑成型过程中与纤维树脂3一同植入成型。
8.分布式温度光纤2为采用耐高温玻璃纤维防护套管封装的单模光纤，在纤维树脂
热塑成型过程与纤维树脂3一同植入成型。
9.所述的分布式温度光纤2中的单模光纤在耐高温玻璃纤维防护套管中始终处于自由状态；分布式温度光纤2两端的防护套管用高温胶封装密封。
10.纤维树脂材料3为玻璃纤维或碳纤维，热塑成型拉挤为圆棒形状或片式形状。
11.橡胶层4为聚乙烯，在纤维树脂3成型为圆棒或片式形状后的表面封装0.5mm厚的橡胶层。
12.扩径片式锚头5由两个带螺栓孔的正方形不锈钢片组成，边长为10cm。在分布式光纤传感器封装保护后，按测试对象监测要求间隔一定距离通过螺栓夹持固定在分布式光纤传感器5上。
13.本发明的效果和益处是纤维树脂封装的温度应变一体化分布式光纤传感器实现了温度和应变同时测量且温度和应变测量值的物理路由距离一一对应，便于分布式应变测量值的点对点温补；此外本传感器可根据工程监测长度任意截断无损熔接，特别适合具有粗放式施工和不连续施工的特征的路基、隧道等结构安全监测。
附图说明
14.图1为本发明的温度应变一体化测试的分布式光纤传感器的结构示意图；
15.图2为本发明的温度应变一体化测试的分布式光纤传感器的横向剖视图。
具体实施方式
16.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
17.附图1为本发明的温度应变一体化测试的分布式光纤传感器结构示意图。具体实施方式是纤维树脂3在热塑拉挤成型为圆棒或片材形状过程中，紧包应变光纤1和分布式温度光纤2随着纤维树脂3中的纤维一同植入成型，分别感知连续的应变和温度场。纤维树脂3成型为圆棒和片式形状后用聚乙烯橡胶封装，形成0.5mm厚度的橡胶层4。橡胶层4能有效隔离紫外线照射和环境污水浸润，可提高传感器的使用寿命。紧包应变光纤1的紧包护套采用交联乙烯四氟乙烯共聚物护层，交联乙烯四氟乙烯共聚物护层可与紧包应变光纤1中光纤紧密结合，同时纤维树脂3热塑拉挤成型时，成型高温将进一步使交联乙烯四氟乙烯共聚物护层与紧包光纤紧密结合，降低了应变测量时光纤感知应变与交联乙烯四氟乙烯共聚物护层传递过来的应变误差；此外在纤维树脂3拉挤成型过程中，交联乙烯四氟乙烯共聚物护层有效保护光纤上的涂覆层避免高温破坏，确保本发明传感器被截断后的二次无损熔接(熔接损耗小于0.01db)。分布式温度光纤2采用耐高温玻璃纤维防护套管封装的单模光纤，耐高温玻璃纤维防护套管具有耐200℃高温和抗挤压能力，可以确保纤维树脂3热塑拉挤成型过程中，封装在耐高温玻璃纤维防护套管内的光纤始终处于自由状态；在植入到纤维树脂3之前，分布式温度光纤两端的防护套管用高温胶密封，防止纤维树脂3热塑拉挤成型过程中，树脂进入分布式温度光纤2中。在传感器封装保护后，由于传感器的有效表面积较小，根据测试对象监测要求，间隔一定距离将扩径片式锚头5通过螺栓夹持固定在传感器的表面。
18.本发明中的扩径片式锚头5固定在传感器表面的功能是1)对于埋入到混凝土结构中的工况，扩径片式锚头5可以起到端部扩径和相应的锚固效果，具备不同测量标距的特点；2)对于埋入到路基等结构的工况，扩径片式锚头5可以起到增大其表面受力面积的作
用，便于传感器与路基协同变形；3)对于布设到结构表面中的工况，扩径片式锚头5可以直接作为传感器锚头焊接在测试结构表面。
19.本发明中分布式光纤传感器中紧包应变光纤1和分布式温度光纤2等长，具有同样的物理路由距离，可对紧包应变光纤1测量的应变进行点对点的温补，具体过程如下：
20.δv
1bi
＝c
ε
δε
i
c
t
δt
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.δv
2bi
＝c
t
δt
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
22.式(1)中δv
1bi
为紧包应变光纤1测量的第i点的光纤布里渊频移增量；δε
i
，δt
i
为施加在紧包应变光纤1第i点的应变和温度增量；式(2)中δv
2bi
为分布式温度光纤2测量的第i点的光纤布里渊频移增量，δt
i
为施加在分布式温度光纤2第i点的温度增量；c
ε
，c
t
分别为分布式光纤应变和温度灵敏度系数。本发明的分布式光纤传感器中的紧包应变光纤1和分布式温度光纤2被纤维树脂3封装，感知同一温度场，所以温度引起的光纤布里渊增量是一样的。
23.由式(1)和式(2)，可以将紧包应变光纤1上感知的应变和温度信息解耦，如式(3)所示：
24.δε
i
＝(δv
1bi
‑
δv
2bi
)/c
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
25.附图2为图1的横向剖视图，分别为片式和圆棒式两种成型结构。图中紧包应变光纤1和分布式温度光纤2置于成型后的纤维树脂中部位置，成型尺寸根据监测对象监测要求确定。